Linux——线程3|线程互斥和同步-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了Linux——线程3|线程互斥和同步。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

加锁保护

我们上一篇提到过，多个线程执行下面代码可能会出错，具体原因可查看上一篇Linux博客。

为避免这种错误的出现，我们可采用加锁保护。

互斥锁

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

用pthread_mutex_t定义一把锁。ptherad_mutex_init是对锁进行初始化的函数。如果这把锁是全局的并且是静态定义的，我们可直接使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER这样的话宏进行初始化，用这种方式进行初始化不需要init和destroy。

在这里，这把锁用来保护全局的tickets这一过程我们称为访问临界资源时对临界资源进行保护。

访问临界资源的代码被称作临界区，这里的临界区是函数里面if语句大括号里包含的内容

pthread_mutex_lock

返回值成功返回0，失败返回错误码。

pthread_mutex_lock是进行加锁,出入的是刚才定义的锁

加了锁之后，每个线程都会进行加锁，加锁的特点是：任何一个时刻，只允许一个线程成功获得这把锁，其它没有拿到锁的线程进行阻塞等待，直到拿到锁的线程把锁给释放掉，其它线程才能进来。

加锁之后，任何一个时刻，只允许一个线程执行这部分代码以及后面的解锁。即加锁后的代码只允许一个线程去执行，其它线程进行阻塞等待。

pthread_mutex_unlock

pthread_mutex_unlock是用来进行解锁的，返回值成功返回0，失败返回错误码。

若把解锁写在这里，当tickets为0时候，执行break,此时直接退出while循环，未经过解锁，其它线程无法会一直阻塞

因此，我们需要修改加锁位置，其中加锁和解锁之间的代码称为临界区，这里被共享访问的tickets就是临界资源。

运行程序后，结果正确，但我们可以看到截图里是一个进程在抢，这是因为当某个线程抢完票后，释放了所，但该线程的优先级可能很高，进而又被调度会又被执行，

我们让程序执行完后usleep一会

此时可以获得我们想要的结果

加锁的时候，一定要保证加锁的力度，越小越好，越细越好。如这里，尽量不要像下图这样加解锁，这段程序我们主要的核心还是tickets,这里我们可以把函数里面的打印语句，放到解锁后面，

ptherad_mutex_init

若我们不想定义全局锁（全局变量的锁），若我们在main函数定义了一把锁，若要使用，就必须用pthread_mutex_init进行初始化。

第一个参数，这把锁的地址，第二个参数，这把锁的属性，我们一般设为空。

返回值成功返回0，失败返回错误码。

pthread_mutex_destory

当我们不要在main函数定义的锁时，我们用pthread_mutex_destory

我们用局部的锁，对多个线程进行加锁

进行一下小优化

思考题

加了锁之后，线程在临界区中，是否会切换，会有问题吗？

会切换，OS说了算，OS调度器决定是否切换。不会有问题，因为虽然被切换了，但是我们是持有锁被切换的，所以其它抢票线程要执行临界区代码，也必须先申请锁，锁它是无法申请成功的，因为锁在被切走的进程身上，所以，也不会让其它线程进入临界区，就保证了临界区中数据一致性。当一个线程，不申请锁，直接去访问临界资源，这种方式是错误的编码方式。

原子性在哪里体现？

目前来说，在没有持有锁的线程看来，对该线程最有意义的情况只有俩种：1.前面的线程未持有锁（什么都没做）2.前面的线程释放锁（做完）。因为此时该线程可以申请锁。

加锁就是串行执行了吗？

是的，执行临界区代码一定是串行的。

要访问临界资源，每一个线程都必须先申请锁，前提是每一个线程都必须看到同一把锁并且并且去访问它，锁本身就是一种共享资源。在上面代码中，锁保护了tickets，而谁又来保证锁的安全呢？所以，为了保证锁的安全，申请和释放锁必须是原子的。那么有如何保证原子性呢？我们继续往下看，锁是如何实现的。

互斥锁的实现

swap或exchange指令是以一条汇编的方式，将内存和CPU内寄存器数据进行交换。

如果我们在汇编的角度，如果只有一条汇编语句，我们就人为该汇编语句的执行是原子的。

加锁和解锁的代码

lock相当于pthread_mutex_lock(),unlock也一样

lock过程：

在进程或线程角度，是如何看待CPU上寄存器的，CPU内部的寄存器，本质叫做当前执行流的上下文。寄存器的空间是被所有的执行流共享的，但是寄存器的内容是被每一个执行流私有的，因为这些是当前执行流的上下文。

%al是CPU中的一个寄存器，一开始把0放到该寄存器中，0虽然被放到了寄存器中，但0是某个线程的上下文，接下来进行交换xchgb，该语句只有一句，所以该语句是原子性的，这里的含义是把寄存器的值和锁的值做交换。交换玩之后去判断寄存器内容，如果>0，就返回，即锁申请成功，反之阻塞挂起。

该图右边是内存，mtx是锁。

当执行完第一条语句之后，线程有可能被切换，线程被切走的时候是带着数据走的，走的时候带走了寄存器里放进去的0，当新线程来了之后，新线程照样从第一句语句开始执行（这是加锁操作必须的），新线程把0放了进来，也就是说此时俩个线程都有0，进而说明，寄存器是共享的，但寄存器里面的内容是私有的。

当第二个线程执行完第二条语句后，此时线程被切走，寄存器里现在是1，mtx里面是0，第二个线程被切走的时候要带走自己的上下文，即把1带走，之后第一个线程被切了回来，第一个线程走的时候带的是0，第一个线程回来之后在寄存器里面放了0，之后第一个线程继续执行语句，由于走的时候第一条语句已经执行完了，现在要执行第二条交换语句（此时内存里mtx是0），交换之后，寄存器里和mtx都是0（0和0交换），第一个线程做判断，发现寄存器里的值是0，这时候就把第一个线程挂起，挂起的时候第一个线程又把上下文数据0带走了，这时候恢复第二个线程，把1恢复到寄存器，由于走的时候完成了交换，所以现在进行判断操作，寄存器里内容>0，直接返回，此时申请锁成功，lock调用被返回pthread_mutex_lock也被返回，之后继续执行后续的代码。

交换这一行是真正的申请锁。这里1被所有的线程轮流式的拿到，而且这个数字1永远只有1个，而且

不会有任何新增的数据存在，这个1就是锁。

谁来保证锁的安全？

自己保证，通过一行汇编的方式来保证原子性。

锁的实现就是上面所述内容：简单来说通过内存数据和CPU寄存器数据进行交换。

可重入VS线程安全

可重入是针对函数来说的，一个函数被多个执行流重复进入的现象叫可重入，在重入期间如果该函数没问题，该函数就叫可重入函数。

线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。

常见的线程不安全的情况

不保护共享变量的函数

函数状态随着被调用，状态发生变化的函数

返回指向静态变量指针的函数

调用线程不安全函数的函数

常见的线程安全的情况

每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的

类或者接口对于线程来说都是原子操作

多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

常见不可重入的情况

调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的

调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见可重入的情况

不使用全局变量或静态变量

不使用用malloc或者new开辟出的空间

不调用不可重入函数

不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供

使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

可重入与线程安全联系

函数是可重入的，那就是线程安全的

函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题

如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的（例如抢票成程序，每个线程都在对全局变量做修改）。

可重入与线程安全区别

可重入函数是线程安全函数的一种

线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。

如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。

注意：如果一个函数是可重入的，它一定是线程安全的，如果是线程安全的，但不一定可重入。

死锁

我们在实际中不可能只用一把锁，我们可能会用多把锁，这里以俩把锁为例。

线程A要完成某些工作，申请锁1和锁2。线程B也需要俩把锁，先申请锁2，再申请锁1。我们单个申请一把锁是原子的，当一把锁申请完再去申请另一把锁，可能会出问题，如这里的线程A,B，俩个同时运行线程A拿锁1，线程B拿锁2，接下来线程A申请锁2，线程B申请锁1，此时就会出现问题，双方想要的锁都被对方拿到。此时出现了互相申请对方锁的情况，这种情况就叫死锁。